0 引言

    工業生產和科學實驗都離不開對工質數量的了解或對各種物質（原料）配比的控制。為了保證產品質量和進行經濟核算，需對單位時間內物料的輸送量（流量）或某段時間內物料的總輸送量進行精確計量和控制，并要求能及時地發出反映流量大小的信號。流量測量，不管是以計量為目的，還是用于過程控制，幾乎涉及所有的領域。非接觸式流量計只需將超聲波換能器夾裝在被測管道的外側就可測量管道內的液體流量，由于其測量時不擾動管道內流動的流體和無介質泄漏而得到了廣泛的應用，但時差法等超聲波流量計測量精度低是一個亟待解決的問題。本設計方案采用了相位差法來測量流量，同時把聲速對流速的影響也考慮在內，從而提高了測量的精度。

    1 相位差法流量測量原理

    超聲波技術應用于流量測量主要是依據超聲波入射到流體后，在流體中傳播的超聲波就載有流體流速的信息，利用接收到的超聲波信號就可以測量流體的流速和流量。

    在該超聲波流量計的設計中，流量的獲取主要來源于測定固定直徑管道的中心流速（軸向），雖然測量管道內的流場分布模型難以精確建立，但其中心流速和總的流量之間有一固定的函數關系（對于同一種流體而言），那么測得該流速，并通過適當的曲線擬合方法即可尋求到一條聯系流量與流速之間關系的較精確的曲線，其主要物理模型如圖1所示。

圖1 超聲波流量測量物理模型

    圖中A、B是兩性能相同的超聲波傳感器，V是流體流速，方向固定為A到B，V₀為流體中的聲速，L為A、B兩傳感器的端面距離。由于流速V的存在，超聲波從A傳到B及其相反過程中，在傳播時間上將有一個差值α，通過對α的精確測量，即可求出中心流速，并進一步求得流體流量。 

 

    在靜止的液體中，連續的超聲波在距離為L的A點和B點將有著固定的相位差β，當流體沿著某一方向（假設從A到B方向）流動時，固定頻率的超聲波在順流和逆流發射的傳播時間內的變化在空間上表現為流體中波形的拉伸（順流）和壓縮（逆流），從而導致在定長L內波形數的變化，但必須保證滿量程波形數變化不大于1；在接收端表現為發射波和接收波相位差的變化（相當于A、B點的相位差），由β±Δβ就直接導致本設計方案中采用相位差法求得流速和流量。

    由于固定頻率為f的聲波的聲速為V₀=f*λ，其中λ是波長，于是流體中距離為L的空間上分布的波形N=L/λ將和聲波的傳播速度成反比。設靜止流體中L上的波數為非整數n，當流體以速度V由A到B流動時，順流聲速V_0AB=V₀+V，逆流聲速V_0BA=V₀-V，則順流時L上的波數為N_AB=n^*V₀/（V₀+V），逆流時N_BA=n^*V₀/（V₀-V）。于是逆、順流分別發射超聲波時，L空間上的波數差Δn=N_BA-，其中n=L/λ₀=Lf/λ₀，所以，則相位差

   （1）

    由于聲速V₀隨環境變化，其修正方法仍依賴于振蕩器，且（1）式中分母比分子高一階，可見晶振溫漂對測量效果的影響。由于V₀>>V，則（1）式可以忽略分母的影響，相位差與流速成一次線性關系。由于最終將采用標定擬合的方法求出流量與相位差的關系式，因此超聲波的頻率不必嚴格于1MHz，但必須保證其穩定性。為保證儀器適用于不同壓力及環境溫度，甚至適用于不同性質的介質，必須對聲速進行實時修正。由（1）式可知，聲速對測量結果有很大的影響，現采用聲波的傳播時間法來測得聲速。

    假設集流管內流場均勻分布，超聲波頻率為1MHz，聲速為1500m/s，集流管內徑為31mm（實際內徑25mm，但因有效距離及入水口等因素，折算為31mm），設計流量計的量程為700m³/d。為避免多置型，在單邊180°鑒相的前提下，順逆流相位差Δβ不應大于360°，也就是a≤1μs，即2LV/（V0²-V²）≤1μs，由量程700m³/d求出V后就可確定L。令S為集流管有效截面積，則VS=V*3.14*（10^-3*33/2）²=700/24/3600，得到V=10.73m/s，于是由2LV/（V0²-V²）≤1μs，推出L≤10.48cm。

圖2 流速鑒相電路框圖（單向）

    2 設計方案

    根據以上分析的測量原理，設計出如圖2和圖3所示的超聲流量計電路框圖。

圖3 聲速校正鑒相電路框圖（單向）

    本方案中傳感器材料選用聚砜，其聲學性能很好。驅動信號源是后續測量的基礎，所以只能采用幅值盡量高、波形近似正弦的驅動信號，以達到較大的發射功率，經過聲波發射、接收換能器的雙重選頻、濾波作用，接收信號波形無畸變，最終選擇南京120pF壓電片串聯220μH電感產生諧振。

    超聲波發射接收通道控制開關組主要完成超聲波的發射以及接收電路在A、B兩個傳感器上的切換及聲速修正的低頻調制功能，控制邏輯由門電路及模擬開關共同產生。經過多次實驗最終采用分立8路開關ADG419、ADG418，其原則是參與接收回路的模擬開關完全不接觸發射信號，其電路如圖4所示。

圖4 超聲波發射接收通道控制開關

    驅動信號經4kHz調制后，接收信號是周期為4kHz的含1MHz載波的聲波列，其壓差信號經放大至2~3V可使檢波二極管在很快的時間內導通，減小聲速誤差。解調出的包絡信號送反向比較器整形后與原調制信號鑒相可得正比于傳播時間的相位差（數字脈沖占空比），其具體實現電路如圖5所示。

圖5 解調電路

    無論是流速相位差還是聲速修正相位差均由發射（或經調制）信號與接收信號（或解調信號）鑒相產生，產生的鑒相脈沖經低通網絡（帶寬3.7Hz）濾波后得到正比于相位差的直流電平送A/D轉換。本方案采用沿鑒相，即只與信號的上升沿有關，而與占空比無關，使用鑒相器4046取得了很好的線性和測量精度。

    A/D轉換器一般主要考慮的因素就是字長和速度。一般來講SNR與字長有以下規律SNR（dB）=6.02n+1.76，n為字長。實際超聲系統中一般SNR的范圍在47~70dB之間。如果SNR=70dB，則字長不小于12。本設計選用BB公司的ADS803芯片，DSP芯片選用TI公司16位的TMS320VC5402，可以保證測量的精度。

    在實測時通過順、逆流發射經低頻4kHz調制的1MHz超聲波來實現。在接收端將解調出的4kHZ與原始調制信號比較鑒相即可求出聲波的傳播時間，并將正反向的時差相加以扣除流速的影響.本流量計的量程設定為700m³/d，實際量程為690m³/d，理論分辨率為0.15m³/d，實測值為0.2m³/d。

    現傳感器安裝距離L=10cm，聲速為1500m/s，理論上雙向相位差之和為192°，實測相位差約195°，誤差僅為1%.按照上述方法連續測量100次，誤差基本上都在1%左右，真正保證了流量測量的高精確性。

    3 結束語

    超聲波流量計具有測量精度高、重復性好、量程比較寬、抗干擾能力強、維修量小和可測雙向流等優點，可以廣泛應用于天然氣工業的貿易輸送計量、氣體分配、調合、控制和檢漏等場合，還可用于工廠排放液、液化天然氣流量測量等，也可作為常規貿易計量儀表的標準表。總而言之，可廣泛應用到各種精度要求高的流量測量中。